От цифровых двойников до предиктивной диагностики: решения студентов для тепловых электростанций

Цифровые двойники оборудования, математические модели режимов работы и интеллектуальная диагностика становятся важными инструментами повышения эффективности современных тепловых электростанций. Именно такие решения предложили участники направления «Теплоэнергетика» XIV сезона Международного инженерного чемпионата CASE-IN, который проводится при поддержке Президентской платформы «Россия - страна возможностей».

По заданию компании «Газпром энергохолдинг» студенты разработали виртуальную модель турбины, способную в режиме реального времени прогнозировать развитие неисправностей, выявлять скрытые дефекты - например, загрязнение трубок или присосы воздуха - и рекомендовать персоналу оптимальные режимы эксплуатации оборудования. Главной задачей стало создание цифрового инструмента, позволяющего перейти от плановых ремонтов к обслуживанию оборудования по его фактическому техническому состоянию.

Лучшим эксперты признали проект команды «Экономайзер» Национального исследовательского университета «МЭИ». Победители создали цифровой двойник турбины, основанный на библиотеке оптимальных режимов эксплуатации для различных сезонов и уровней нагрузки. Решение позволяет заранее выявлять признаки возможных отказов и автоматически предупреждать инженерный персонал за 24-48 часов до вероятной неисправности.

Для реализации проекта команда использовала отечественный программный комплекс SimInTech, ориентированный на моделирование теплоэнергетических процессов. По мнению авторов, именно этот программный продукт наиболее полно отвечает требованиям моделирования тепло-гидравлических процессов и может использоваться как альтернатива зарубежным решениям. Авторы не ограничились разработкой самой модели, а выполнили комплексную оценку проекта на длительную перспективу: при помощи SWOT- и PESTEL-анализа они рассчитали основные экономические показатели до 2051 года, определив ставку дисконтирования на уровне 20,61%. При инвестициях около 20 млн рублей расчетный чистый дисконтированный доход проекта составил 493,7 млн рублей, а внутренняя норма доходности (IRR) - 22,13%.

По оценке команды, внедрение цифрового двойника позволит ежегодно экономить около 20 млн рублей за счет более раннего обнаружения неисправностей и выбора оптимальных режимов эксплуатации оборудования.

«Кейс оказался практически значимым и достаточно сложным из-за масштаба задачи, - рассказал капитан команды Евгений Ушак. - Ограниченный объем открытых данных и отсутствие прямого доступа к объекту потребовали от команды глубокого погружения в производственные процессы и тщательного баланса между технической реализацией и экономической эффективностью. Направление, безусловно, перспективно, поскольку затрагивает ключевой элемент энергосистемы - источник тепло- и электроснабжения».

Второе место заняла команда «3-8 2026» Ивановского государственного энергетического университета имени В. И. Ленина. В отличие от победителей, студенты сосредоточились на повышении эффективности работы циркуляционных насосов. Они разработали инженерное приложение, позволяющее рассчитывать параметры работы оборудования и автоматически определять наиболее экономичный режим эксплуатации насосной группы.

Основой проекта стал алгоритм Дейкстры, примененный к графу режимов циркуляционных насосов. Такой подход позволяет находить комбинацию работающих агрегатов с минимальными совокупными затратами, учитывая одновременно расход электроэнергии на собственные нужды станции и потери, связанные с недовыработкой мощности. При этом математическая модель учитывает инерционность изменения давления и температуры в переходных режимах работы оборудования, обеспечивая погрешность статических расчетов не более 3%.

По оценке авторов, суммарный экономический эффект от внедрения системы может превысить 165 млн рублей в течение пяти лет. Даже своевременное выявление лишь одного вида дефекта - загрязнения трубок теплообменников - позволяет проводить очистку оборудования с расчетным сроком окупаемости около полутора месяцев.

Бронзовым призером стала команда Little Hope Национального исследовательского Томского политехнического университета. В своем проекте студенты сосредоточились на надежности эксплуатации оборудования и системе управления рисками. В отличие от других участников, команда сделала акцент, помимо технической реализации цифрового двойника, на комплексной организации эксплуатации оборудования. Авторы подробно проанализировали потенциальные угрозы проекта от кибератак и ошибок персонала до отказов отдельных элементов оборудования - и разработали систему управления рисками в соответствии с международными стандартами.

Проект ориентирован на переход от традиционных плановых ремонтов к обслуживанию оборудования по его фактическому техническому состоянию. По расчетам команды, такой подход позволяет повысить надежность работы станции, сократить удельный расход топлива и связать эксплуатационные решения с их экономическими последствиями.

Экономическая модель проекта демонстрирует высокую эффективность: расчетный показатель ROI достигает 671%, срок окупаемости составляет от 4,3 месяца, а среднегодовой дисконтированный доход оценивается в 12,83 млн рублей.

Проекты призеров отражают разные подходы к одной задаче - повышению эффективности эксплуатации тепловых электростанций. По словам экспертов, анализ проектов финалистов показал и ряд общих тенденций развития современной теплоэнергетики. Практически все команды использовали технологии предиктивной диагностики, математические модели оборудования и цифровые двойники. Многие проекты предусматривали применение отечественного программного обеспечения, а также переход от планово-предупредительных ремонтов к эксплуатации оборудования на основе непрерывного анализа его технического состояния.

Представленные решения показывают, что цифровые двойники сегодня перестают быть исключительно инструментом моделирования и становятся частью системы управления современными тепловыми электростанциями.
Предиктивная диагностика позволяет обнаруживать потенциальные неисправности задолго до возникновения аварийных ситуаций, математические модели помогают выбирать наиболее эффективные режимы эксплуатации оборудования, а цифровые платформы объединяют технические и экономические параметры в единую систему поддержки принятия решений.

Несмотря на различие инженерных подходов, проекты финалистов демонстрируют общий вектор развития отрасли - переход от реактивного устранения неисправностей к интеллектуальному управлению жизненным циклом оборудования. Это позволяет одновременно повышать надежность электростанций, снижать эксплуатационные затраты и эффективнее использовать существующие генерирующие мощности.

В этом смысле чемпионат CASE-IN стал площадкой, где будущие специалисты смогли предложить практические инженерные решения для одной из ключевых задач современной теплоэнергетики - повышения надежности и экономической эффективности тепловых электростанций.